"我想尋找另外一個地球。這是我生命的意義所在?！?/span>
麻省理工學院的天體物理學家薩拉·西格近二十年來一直在觀測太陽系以外的行星，即著名的太陽系外行星。
20世紀90年代發(fā)現(xiàn)第一批這樣外行星時，很多人對其真實性表示質疑。自那以后，隨著技術的發(fā)展，我們已觀測到6000多顆外行星，其中大部分是巨型氣體星球。
今天，觀測到的外行星數(shù)目每周都在增加。
如此之多的行星從未知中冒出來，人們開始爭先恐后地尋找與地球最相似的星球。富含液態(tài)水的巖石星球就像地球一樣，適合生物生存。
西格對于如何探索充滿自信。
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“這些都不是行星！”
僅僅通過天文望遠鏡，是很難看到外行星的。這是因為來自這些母恒星的光芒太刺眼，其大小特性與太陽相比極其不同。這一過程通常被形象地描述為試圖從數(shù)千英里之外發(fā)現(xiàn)一只環(huán)繞燈塔的螢火蟲。
“像太陽這樣的恒星，每五顆中就有一顆行星上有液態(tài)水?！薄槭±砉W院教授薩拉·西格
1995年，在觀察恒星是否會因受到其它星體的引力而輕輕搖動時，間接發(fā)現(xiàn)了第一批外行星。
此時，西格作為哈佛大學研究生，正為申請博士學位尋找課題。她被遙遠外行星這一新領域深深吸引了。
“因為這批行星是被間接發(fā)現(xiàn)的，大多數(shù)人不相信這是真的。他們問我‘你為什么要做這個？它們根本就不存在??！',"西格說。
但他們的說法并不一定就是錯的。波動也可能是由其它因素引起的，比如隨著時間的推移，因波動監(jiān)測到的一顆恒星和幾個行星實際上并不存在。
但隨后人們?yōu)槭顾褜と菀仔?，發(fā)明出一種不同以往的技術——凌日。當行星移動到母恒星前面時，導致恒星光線變暗。
“一顆行星通過擺動技術展示凌日：按預測時間精確地移動到恒星前面，這基本上是無可爭議的?！蔽鞲裾f。
事實證明系外行星的確存在。
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十張照片：美妙奇異的系外星球
讓木星相形見絀的行星——HD-106906是一顆氣態(tài)行星，體積是木星的11倍。由于受到巨大的引力沖擊，HD-106906位于其所在的恒星系統(tǒng)邊緣，然而形成之初，其原始位置應該位于該恒星系統(tǒng)的中心區(qū)域。
熔巖煉獄——開普勒-10距離其母星的距離還不到水星到太陽距離的20分之1。白天溫度超過1300攝氏度（2500華氏度），比地球上熔巖溫度還要高。
真實版“塔圖因”—這顆類似木星的行星位于距地球149光年的-188753系統(tǒng)中，擁有三個“太陽”。主恒星質量與我們的太陽相似。人們將這一系統(tǒng)比做了《星球大戰(zhàn)》中盧克·天行者的故鄉(xiāng)塔圖因星球。
宇宙中一年時間最長的星球——開普勒421是一顆與冥王星大小相同，擁有凌日現(xiàn)象的系外行星。它的運行周期為704天，是迄今為止人類已知的最長系外行星軌道運動周期。開普勒421圍繞一顆橙色的型恒星運轉，這個恒星的比太陽的溫度和亮度都要低，位于距地球1000光年的天琴座內(nèi)。
擁擠的周遭——宇航員發(fā)現(xiàn)了兩顆大小近地球三倍的行星，其母恒星類似太陽，它們置身于擁擠不堪的行星簇中，在距離地球大約3000光年的天鵝座中靜靜轉動。
紅矮星——在藝術家的概念里，這顆假想星球的兩條衛(wèi)星軌道都允許紅矮星圍繞其轉動時處于宜居帶內(nèi)。距太陽最近的星球中，大多數(shù)為紅矮星。
首顆類地行星——開普勒186是首顆被證實與地球大小類似的在宜居帶內(nèi)圍繞母恒星運轉的行星。它與恒星之間的距離使行星表面溢出液態(tài)水成為可能。
超級金星——被稱為“超級地球”的開普勒-69與金星極為相似。該行星處在宜居帶，其母恒星與太陽類似，在距地球2700光年的天鵝座內(nèi)運行。
微觀世界——僅僅在銀河系形成20億年時，開普勒—444就誕生了。這一密集的恒星系統(tǒng)擁有五顆行星，按大小排列，最小的和水星差不多，最大的和金星相似，繞恒星轉的運行周期不到10天。
地球的大表哥——這幅作品對地球（左）與開普勒452進行了比較，后者體積為地球的1.6倍。兩顆行星都是圍繞著擁有相似溫度的2類型恒星運行；然而，開普勒452的母恒星形成時間已達60億年——比太陽大1.5億年。
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外星大氣層
西格不僅僅滿足于探索那些遙遠的星球。她還把目光投向更具體的東西——這些星球的大氣層。她是第一人。
“大氣層之所以重要，是因為依賴他們可以尋找生命的跡象:我們致力于觀測那些不屬于地球，可能是其他生命體產(chǎn)生的氣體，”她解釋道。
但如果觀測系外行星就非易事，那么探究大氣層豈不是更加困難？幸好科學家們有的是辦法，這時恒星發(fā)出的光就可以派上用場了。“星球凌日時，借助其發(fā)光狀態(tài)，我們完全可以將其大氣層成分細細推敲出來，”西格說。
這種分析過程和觀察彩虹極為相似。
“如果你近距離觀察彩虹，你會發(fā)現(xiàn)每種顏色間總是出現(xiàn)一條細細的黑線，就像彩虹卻掉了幾片。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是地球大氣層吸收掉了一部分光線。
這些黑線就像某種特殊氣體的指紋，利用特殊工具就可以“解碼”這些氣體。1999年，西格提出，造成這一現(xiàn)象可能是一個特別的元素——鈉。
“它像臭鼬噴出的惡臭一樣：只要一點點就會留下一個大大的鮮明標志，”她說。
如何觀測到系外行星大氣層
事實證明，西格說的的確沒錯——兩年后人們利用哈勃望遠鏡完全證實了她這一說法。
人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星“熱木星”的大氣層中就含有鈉元素。這些比地球大很多倍的巨大氣態(tài)星球，和木星一樣，運行軌道極其接近其恒星,令恒星溫度極高。
由于體積龐大，“熱木星”是最容易被發(fā)現(xiàn)的系外行星，至今，已發(fā)現(xiàn)過上百次。但是由于表面不是固態(tài)的,它們和地球截然不同。
為了發(fā)現(xiàn)生命跡象,我們要找尋像地球那樣的小巖態(tài)行星。
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宜居帶
搜尋巖態(tài)行星比搜尋“熱木星”難多了，主要因為前者體積太小了。當探尋大氣成分時，我們的關注點不是鈉。
“行星大氣成分中，我們最想看到的是水蒸氣，”西格說道。
我們能在像木星那樣的巨行星上看到水蒸氣的蹤影，因為這是它們大氣中的天然成分?！岸鴰r態(tài)行星上還未發(fā)現(xiàn)水蒸氣的蹤影。”
若在巖態(tài)行星上發(fā)現(xiàn)了水蒸氣，則足以說明該行星上存在液態(tài)海洋，因此可能存在生命體?！八堑厍蛏弦磺猩锏谋匦杵罚覀冋J為所有生命體都離不開液態(tài)環(huán)境，”西格說道。
生命的創(chuàng)造離不開液態(tài)環(huán)境是有理論支撐的，即分子化學反應需要液態(tài)環(huán)境，以生成其他物質——例如生命體。“而水則是星球上最豐富的液態(tài)環(huán)境，”西格說道。
一個星球必須滿足一些基本條件才能有液態(tài)水的存在。該星球的地表溫度不能太高，否則液態(tài)水會完全蒸發(fā)，但也不能太低，否則又會凍結成冰。這些都取決于該行星與其母恒星之間的距離：以上兩種情形對應的分別是太近或太遠。
天文學家稱這一理想位置為“宜居帶”,靈感來源于兒童故事《三只熊》——年輕的金鳳花姑娘喜歡熊寶寶的粥“不涼不熱,剛剛好?！?/p>
在宜居帶內(nèi)尋找行星
這樣的行星并不罕見,但是搜尋到它們是個挑戰(zhàn)，困難重重。
“像太陽這樣的恒星，每5顆中就有一顆的行星上有液態(tài)水。雖然事態(tài)瞬息萬變，這個數(shù)據(jù)可能是錯誤的，但是可以確定的是小巖態(tài)行星并不稀有，”西格說道。
光是銀河系中，像地球這樣的行星就有幾十億顆。
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銀河系最佳
迄今為止發(fā)現(xiàn)的6000顆行星,大約2000已確認是真實存在的——其余行星的認證工作還在進行中——不過只有約30顆是潛在宜居星球。
2014年，美國航天航空局在“宜居帶”發(fā)現(xiàn)了第一顆繞母恒星運行的地球大小的行星。該行星是由開普勒太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)的——遂命名為開普勒186,在距離地球約500光年的天鵝座內(nèi)運行。放眼整個銀河系，該行星相當于我們地球的鄰居，因為整個銀河系越長100，000光年。該行星的大小約為地球的1.1倍。
美國航天航空局認為“該行星的發(fā)現(xiàn)意味著我們朝找到地球類行星邁進了至關重要的一步”，開普勒186的母恒星是一種叫做紅矮星的常見星體，大小約為太陽的一半。 然后在2015年，天文學家發(fā)現(xiàn)了首個圍繞著于太陽同類型恒星旋轉的類地行星，并將其命名為開普勒425。人們稱其為“地球的大表哥”，因為該行星的直徑為地球的1.6倍，公轉一周需要385天，十分接近地球的365天。
不過，以我們的現(xiàn)有科技水平，除了系外行星的大小及其距離自身母恒星的遠近以外，很難知曉有關該行星的其他信息。
但是，改變即將來臨。
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天空新“眼”
大部分系外行星的發(fā)現(xiàn)工作都是由開普勒空間望遠鏡完成的，并且都命名為“開普勒……”。開普勒空間望遠鏡于2009年發(fā)射，現(xiàn)在由于發(fā)生故障已進入應急運行模式，距離地球7500萬英里遠。
為了研究“地球潛在兄弟”的大氣成分，科學家們需要新的天空之眼。
現(xiàn)在，西格能夠研究大氣成分的系外行星屈指可數(shù)，而且都是氣態(tài)巨行星。不過，美國航天航空局預計于2017年啟動一個新項目，她已參與其中，旨在偵查位于宜居帶的最明亮的近地行星，以找尋小巖態(tài)行星。
這個兩年計劃簡稱為（TESS，凌日行星調查衛(wèi)星），旨在收集數(shù)據(jù)，然后輸入到詹姆斯·韋伯空間望遠鏡中，該望遠鏡預計于2018年發(fā)射，是下一個哈勃空間望遠鏡?！斑@將不同凡響，”西格說道。
上世紀60年代，美國航天航空局尚處在開拓時期，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡就是取名于那時的局長之名。該望遠鏡的主鏡大小是哈勃望遠鏡的5倍，因此能以前所未有的清晰度觀測宇宙。該望遠鏡通過借助特殊儀器阻擋系外行星的寄主星的刺眼強光，使得系外行星的可見度更高，以提供系外行星的直接成像。借由此，西格和其他天文學家將能站在一種前所未有的高度研究系外行星。
西格相信他們研究的許多行星都將是他們一直在尋找的含有液態(tài)水的巖態(tài)行星。
“我堅信他們就在那里等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)?！?/p>
